Введение к работе
Актуальность темы. Вопросы синхронизации и захвата частоты в динамических системах со многими степенями свободы, а также при испытаниях на виброустойчивость многорезонансных механических систем с локальными источникми шума и вибрации в современном машиностроении приобретают все большую актуальность.
В нелинейных системах явления синхронизации и захватывания частоты при переходных режимах работы, могут приводить к разрушению силовых агрегатов. Эти процессы усугубляются влиянием внешних вибрационных полей, которые могут приводить к значительному затягиванию времени переходных процессов в энергоемком виброактивном оборудовании. Возрастание времени переходных процессов, в свою очередь, приводит к увеличению энергопотребления и дополнительному росту виброактивности энергоемкого оборудования, появлению низкочастотных составляющих спектра, вызывающих снижение ресурса работы силовых агрегатов и способствующих разрушению инженерных конструкций за пределами источников вибрации. Первые теоретические работы по эффекту самосинхронизации механических систем были опубликованы еще в 1914 году А. Зоммерфельдом. Дальнейшее развитие это направление получило в работах И.И. Блехмана, В.О. Кононенко, Я.Г. Пановко, К.В. Фролова Примеры синхронизующихся систем - транспортные средства, гибкие автоматизированные системы, когда на податливом основании устанавливаются более одного источника вибрации.
Задачи снижения уровней вибрации в стационарных и переходных режимах работы энергоемких машин весьма актуальны.
Состояние вопроса. Созданные к настоящему времени пассивные средства гашения вибрации и шума с использованием резинометаллических виброопор, гидравлических амортизаторов, пружин и звукоизолирующих материалов к настоящему времени исчерпали свой потенциал. Возникла проблема поиска неординарных технических решений в области виброзащиты машин. Это направление связано с концепцией создания интегральных гидроопор, предполагающих использование для гашения вибрации иные физические принципы. В частности, совмещение в одной конструкции элементов структурного демпфирования и элементов диссипирующих энергию колебаний в средах с изменяющимися реологическими свойствами с помощью специально организованных дроссельных каналов. Начало нашего века ознаменовалось лавинообразным потоком публикаций и патентов в области гидравлического демпфирования вибраций и ударов. Наибольшее число патентов и публикаций по данному направлению в Германии, Японии и США.
В нашей стране такие работы проводятся с конца 1980-х годов. В течение двадцати лет в Нижегородском филиале Института машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (Нф ИМАШ) проводится работа по созданию и исследованию гидроопор для автомобильной промышленности, в первую очередь для заводов ГАЗ, ПАЗ и других предприятий Волжского региона. Начиная со второй половины 1990 г. к этой работе подключился головной институт -ИМАШ РАН в Москве, имевший к тому времени существенные достижения в области виброзащиты.
В 2000 - 2007 гг. эта работа выполнялась силами коллективов ИМАШ РАН и Нф ИМАШ РАН совместно с коллективом института механики и надежности машин Национальной академии наук республики Беларусь в рамках проектов РФФИ - БрФФИ: " Теоретические иэкспериментальные исследования гидроупругих технологий гашения вибраций мобильных машин"; "Теоретические и экспериментальные исследования гидравлических инерционных трансформаторов в системах виброизоляции машин, динамического гашения и электромеханического преобразования"; " Моделирование систем виброизоляции с внутренними инерционно-демпфирующими элементами для защиты операторов мобильных машин и инженерных сооружений рельсового и дорожного транспорта".
Результаты исследований обобщены в монографиях "Системы виброзащиты с использованием инерционности и диссипации реологических сред" (2004) и "Математические модели виброзаштных систем" (2008).
Наиболее перспективным в настоящее время направлением является разработка гидравлических виброопор (гидроопор) с изменяющимися характеристиками. В них диссипация (поглощение) энергии колебаний двигателя происходит в средах с реологическими свойствами, параметры которых могут изменяться под действием внешних управляющих сигналов. Исследование влияния гидроопор гидроопор на снижение виброактивности синхронизирующихся механических систем не проводилось.
Возникает задача разработки нового поколения гидравлических виброопор, применяемых в синхронизующихся вибросистемах, работа которых основана на управляемых реологических параметрах рабочей среды.
Цель работы заключается в повышении эффективности виброзащиты энергоемких синхронизирующихся механических систем на основе применения гидравлических виброопор.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-провести экспериментальные исследования явления захвата частоты ротора асинхронного двигателя внешним вибрационным полем;
-разработать оригинальную конструкцию гидравлической виброопоры, свободную от недостатков прототипов;
-провести лабораторное моделирование процессов в магнитореологических трансформаторах гидроопор;
-оценить эффективность применения гидроопор в качестве демпферов асинхронных двигателей.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-Предложен и запатентован вариант гидроопоры, исключающий образование кавитации в рабочей среде и микрогидроударов в дроссельных каналах. В результате проведения лабораторных и натурных испытаний продемонстрирована эффективность такой гидроопоры в качестве демпфера асинхронных двигателей.
-На основе лабораторного моделирования процессов, происходящих в заполняющих гидроопору рабочих жидкостях, изменяющих свои характеристики под действием внешних и внутренних электромагнитных полей, показано, что управление потоком магнитореологической жидкости наиболее эффективно в областях наибольшей неоднородности магнитного поля.
Основные результаты диссертации были получены в ходе выполнения работ по теме "Разработка моделей и методов расчета нелинейных волновых процессов, хаотической синхронизации и формирования кластерных структур в машинах, создание высокоэффективных адаптивных систем виброзащиты", включенной в план основных заданий Нф ИМАШ РАН (2009 - 2012 г.г. Гос.рег. № 01200957044, руководитель проф. Ерофеев В.И.) и при поддержке: -гранта РФФИ "Системы виброизоляции с внутренними инерционными демпфирующими элементами для защиты операторов мобильных машини инженерных сооружений рельсового и дорожного транспорта. Теория. Эксперимент. (РФФИ № 08-08-97057_Поволжье, 2008 - 2010, рук. проф. Ерофеев В.И.); - стипендии имени академика Г.А. Разуваева (2008 г.).
Практическая значимость. Внедрение результатов работы в промышленность позволит снизить потребление энергии рельсовым транспортом примерно на 5-7%. Увеличить ресурс мощных электродвигателей в электровозах примерно на 10-20%. Повысить комфортабельность рабочих мест операторов мобильных машин и снизить вибрационные перегрузки до установленных законом санитарных норм.
Разработанная гидроопора прошла успешные испытания на Калужском турбинном заводе и рекомендована для использования в составе комплекса виброзащиты техники специального назначения.
Предприятие ООО «Виброзащита» выпустило малую серию «антикавитационных» гидроопор для гашения вибраций стационарных
энергетических установок, станков, компрессоров,
электрооборудования.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается их согласованностью с общими положениями теории колебаний, механики сплошных сред, а также согласованностью результатов лабораторного моделирования и стендовых испытаний с результатами натурных испытаний гидроопор в составе действующих механизмов.
На защиту выносятся:
-результаты экспериментальных исследований явления захвата частоты вращения ротора электродвигателя внешним вибрационным полем;
-оригинальная конструкция гидравлической виброопоры;
-результаты лабораторного моделирования и стендовых испытаний магнитореологиеских трансформаторов гидроопор с учетом потребляемой энергии;
-результаты оценки эффективности гидроопор в качестве демпферов асинхронных двигателей.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы должены и обсуждены: на второй Всероссийской научной конференции по волновой динамике машин и конструкций (Н. Новгород, 2007 г.); Десятой Всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы измерений" (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 г.); Восьмой Всероссийской научной конференции "Нелинейные колебания механических систем" (Н. Новгород, 2008 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы машиноведения", посвященной 70 - летию ИМАШ РАН. (Москва, 2008 г.); Тринадцатой Нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 2008 г.); Всероссийской научной конференции "Проблемы механики и акустики сред с микро- и наноструктурой (Наномех - 2009, Н. Новгород 2009 г.); научных семинарах ИМАШ РАН (Москва) и Нф ИМАШ РАН (Н. Новгород).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, из которых 1 патент, 15 статей, в том числе 5 - из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации:
Работа состоит из введения и четырех глав. Общий объем
составляет 152 стр., включая 38 рисунков и 4 таблицы, библиографии
содержащей 141 наименование.
